ELECTRONICA
SEMICONDUCTORES
Estos
tipos de materiales se forman con
elemento de grupo 4 o bien por medio de combinaciones de elementos del grupo 3
y 5 (en proporciones similares) de la tabla periódica. Podemos encontrar
materiales semi-conductores intrínsecos y extrínsecos
Los
semiconductores intrínsecos están
constituidos solo por el elemento principal, careciendo de otros elementos o
impurezas además son regulables, esto significa que poseen una estructura
cristalina cuyo ordenamiento es constante y sin imperfecciones a lo largo de
toda la pieza del material
Los
extrínsecos son generalmente mono-cristalinos
(muy regulables) tiene una pequeña cantidad controlada de impurezas, las cuales
son seleccionados previamente. Las impurezas tienen como función alterar la
estructura semi-conductor anfitrión, variando considerablemente las propiedades
de conducción eléctrica de este volumen confiriéndole una cierta polaridad
pudiendo ser:
·
P
(exceso de cargas positivas)
·
N
(ausencia o falta de electrones)
Los
2 elementos mas utilizados son:
·
Silicio
·
Germanio
Diodos semiconductores
Actualmente los diodos se fabrican a partir de la unión de dos materiales semiconductores de características opuestas, es decir, uno de tipo N y otro de tipo P. A esta estructura se le añaden dos terminales metálicos para la conexión con el resto del circuito. En la Figura 3: se presenta el esquema de los dos tipos de diodos que se fabrican actualmente, el diodo vertical y el plano.
Los diodos constan de dos
partes, se forman al juntar un cristal tipo N y otro tipo P, separados por una
juntura llamada barrera o unión.Esta barrera o unión es de 0,2 a 0.3V en el diodo de germanio
y de 0.6 voltios aproximadamente en el diodo de silicio
Principio de operación de un diodo
El semiconductor tipo N tiene
electrones libres (exceso de electrones) y el semiconductor tipo P tiene huecos libres (ausencia o falta
de electrones).
Da
la impresión que al juntar estos dos cristales de cargas opuestas, en la unión
de ambos se produciría una neutralización de cargas, pero no es así ya que en
dicha unión aparece una pequeña barrera por efecto de la repulsión que evita
este fenómeno.
Ahora bien, si conectamos un generador al diodo,
de tal forma que el polo positivo de este coincida con el cristal tipo P y el
negativo con el cristal tipo N, las cargas negativas serán repelidas hacia a
superficie de la unión con gran fuerza y vencerán de este modo la barrera
existente en la unión de los materiales (conocida coma zona desierta o región
de agotamiento). Por lo tanto, se producirá una corriente eléctrica IF
a través del diodo, neutralizándose los electrones con los huecos.
Si conectáramos el generador en sentido contrario
los electrones libres del cristal N se sentirían atraídos por el polo positivo
del generador y los huecos por el polo negativo del mismo, creándose en la
unión una especie de vacío que evita la circulación de corriente a través del
diodo. En este caso se ha conectado el diodo en sentido inverso.
A pesar de ello
siempre existe una pequeña corriente de fuga que recibe el nombre decorriente
inversa del diodo (IR)TIPOS DE DIODOS
Diodo Zener
Recordar que los diodos
comunes, como el diodo rectificador (en donde se aprovechan
sus características de polarización directa y polarización inversa), conducen
siempre en el sentido de la flecha.
En este caso la corriente circula en contra de la flecha que representa el diodo.
Si el diodo zener se polariza en sentido directo se comporta como un diodo rectificador común.
Cuando el diodo
zener funciona polarizado inversamente mantiene entre sus terminales
un voltaje constante.
En el gráfico se
ve el símbolo de diodo zener (A - ánodo, K - cátodo) y el
sentido de la corriente para que funcione en la zona operativa.
Curva
característica del diodo Zener
Analizando la curva del diodo zener se ve que conforme se
va aumentando negativamente el voltaje aplicado al diodo,
la corriente que pasa por el aumenta muy poco.Pero una vez que se llega a un determinado voltaje, llamada voltaje o tensión de Zener (Vz), el aumento del voltaje (siempre negativamente) es muy pequeño, pudiendo considerarse constante.
Para este voltaje, la corriente que atraviesa el diodo zener, puede variar en un granrango de valores. A esta región se le llama la zona operativa.
Esta es la característica del diodo zener que se aprovecha para que funcione como regulador de voltaje, pues el voltaje se mantiene prácticamente constante para una gran variación de corriente
Diodo LED.
(Diodo emisor de luz. Light-EmittingDiode)
Si alguna vez ha visto, unas
pequeñas luces de diferentes colores que se encienden y apagan, en algún circuito electrónico, ha visto los diodos LED en funcionamiento.
El LED es un tipo especial de diodo, que
trabaja como un diodo común, pero que al ser atravesado por la corriente
eléctrica, emite luz.
Existen diodos
LED de varios colores que dependen del material con el cual fueron
construidos. Hay de color rojo, verde, amarillo, ámbar,
infrarrojo, entre otros.
Eléctricamente
el diodo LED se comporta igual que un diodo de silicio o germanio.
Aplicaciones
Este se utiliza
ampliamente en aplicaciones visuales, como indicadoras de cierta situación
específica de funcionamiento.
·
Ejemplos
- Se utilizan para desplegar contadores
- Para indicar la polaridad de una fuente de alimentación de corriente continua.
- Para indicar la actividad de una fuente de alimentación de corriente alterna.
- En dispositivos de alarma, etc.
- Se utilizan para desplegar contadores
- Para indicar la polaridad de una fuente de alimentación de corriente continua.
- Para indicar la actividad de una fuente de alimentación de corriente alterna.
- En dispositivos de alarma, etc.
Diodo Schottky
A diferencia del
diodo semiconductor normal que tiene una unión P–N, el diodo schottky tiene una unión
Metal-N.
Estos diodos
se caracterizan por su velocidad de conmutación, una
baja caída de Voltaje cuando están polarizados en directo (típicamente de 0.25
a 0.4 voltios).
El diodo Schottky está más cerca del
diodo ideal que el diodo semiconductor común pero tiene
algunas características que hacen imposible su utilización en aplicaciones
de potencia.
Estas son:
-
El diodo
Schottky tiene poca capacidad de conducción de corriente en directo
(en sentido de la flecha).
Esta característica
no permite que sea utilizado como diodo rectificador. Hay procesos
de rectificación (por ejemplo fuentes de alimentación) en que la
cantidad de corriente que tienen que conducir en sentido directo es bastante
grande.
-
El diodo
Schottky no acepta grandes voltajes que lo polaricen inversamente
(VCRR).
El proceso de
rectificación antes mencionado también requiere que la tensión inversa que
tiene que soportar el diodo sea grande.
Sin embargo el diodo
Schottky encuentra gran cantidad de aplicaciones en circuitos
de alta velocidad como en computadoras, donde se necesitan grandes velocidades
de conmutación y su poca caída de voltaje en directo
causa poco gasto de energía.
El símbolo del diodo
Schottkyse ve en el siguiente diagrama:
El diodo Tunnel se comporta de una manera
muy interesante conforme se le va aumentando una tensión aplicada en sentido
directo.
-
Cuando se aplica
una pequeña tensión, el diodo tunnel empieza a conducir (la
corriente empieza a fluir).
- Si se sigue aumentando esta tensión la corriente aumentará hasta llegar un
punto después del cual la corriente disminuye.
- La corriente continuará disminuyendo hasta llegar al punto mínimo de un
"valle".
- Después volverá a incrementarse. En esta ocasión la corriente continuará
aumentando conforme aumenta la tensión.
Así, estos diodos
sólo encuentran aplicaciones reducidas como en circuitos osciladores de alta frecuencia.
Diodo varactor (Varicap)
(Características, relación tensión-capacitancia)
Todos
los diodos cuando están polarizados en sentido opuesto tienen una capacitancia
que aparece entre sus terminales.
Los diodos varactores o varicap han sido diseñados
de manera que su funcionamiento sea similar al de un capacitor y tengan una
característica capacitancia-tensión dentro de límites razonables.
En el siguiente
gráfico se muestra las similitudes entre un diodo y un capacitor.
Debido a la
recombinación de los portadores en el diodo, una zona de agotamiento
se forma en la juntura.
Esta zona de
agotamiento actúa como un dieléctrico (aislante), ya
que no hay ninguna carga y flujo de corriente.
Las áreas exteriores
a la zona de agotamiento si tienen portadores de carga (área semiconductor).
Se puede visualizar sin dificultad la formación de un capacitor en el diodo
(dos materiales semiconductores deparados por un
aislante).
La amplitud de la zona de agotamiento
se puede ampliar incrementando la tensión inversa aplicada al diodo con
una fuente externa.
|
Esto causa que se
aumente la separación (aislante) y separa más las áreas semiconductoras. Este
último disminuye la capacitancia.
Entonces, la
capacitancia es función de la tensión aplicada al diodo.
-
Si la tensión
aplicada al diodo aumenta la capacitancia disminuye.
-
Si la tensión
disminuye la capacitancia aumenta
Símbolo del diodo varactor
Diodo Gunn
Efecto Gunn
El efecto fue
descubierto por Gunn en 1963.
Este efecto es un instrumento eficaz para la generación
de oscilaciones en el rango de las microondas en los
materiales semiconductores.
Gunn observó esta característica en el Arseniuro
de Galio (GaAs) y el Fósforo de Indio (InP)
El efectoGunn
es una propiedad del cuerpo de los semiconductores
y no depende de la unión misma, ni de los contactos,
tampoco depende de los valores de voltaje y corriente y no es afectado por
campos magnéticos.
Cuando se aplica
un pequeño voltaje continuo a través de una plaquita
delgada de Arseniuro de Galio (GaAs), ésta
presenta características de resistencia negativa. Todo esto bajo la condición de que el voltaje en la plaquita sea mayor a los 3.3 voltios / cm.
presenta características de resistencia negativa. Todo esto bajo la condición de que el voltaje en la plaquita sea mayor a los 3.3 voltios / cm.
Ahora, si esta
plaquita es conectada a un circuito sintonizado, se
producirán oscilaciones y todo el conjunto se puede utilizar como oscilador.
Estas
oscilaciones corresponden aproximadamente al tiempo que los electrones
necesitan para atravesar una
|
|
plaquita de
material tipo N cuando se aplica el voltaje en continua.
|
Diodos de potencia
Uno de los dispositivos más importantes de los circuitos de potencia son
los diodos, aunque tienen, entre otras, las siguientes limitaciones: son
dispositivos unidireccionales, no pudiendo circular la corriente en sentido
contrario al de conducción. El único procedimiento de control es invertir el
voltaje entre ánodo y cátodo.
Los diodos de potencia se caracterizan porque en estado de conducción,
deben ser capaces de soportar una alta intensidad con una pequeña caída de
tensión. En sentido inverso, deben ser capaces de soportar una fuerte tensión
negativa de ánodo con una pequeña intensidad de fugas.
El diodo conduce si el voltaje aplicado es mayor que un voltaje
especifico llamado VOLTAJE OTENSION
UMBRAL de corte de activación, el cual típicamente es de 0.7 volt
Cuando el potencial del cátodo es positivo respecto al ánodo, se dice
que el diodo tiene polarización INVERSA
En esta condición fluye una pequeña corriente inversa (llamada corriente
de fuga) en el rango de los µA (micro
Amper) a mA (mili Amper), cuya magnitud crece lentamente en función del voltaje inverso, hasta llegar
a un voltaje de avalancha o zener
Si el voltaje inverso es alto, por lo general mayor a
1000V supera un voltaje de ruptura. En este punto la corriente inversa
aumenta rápidamente, pero el dispositivo no se destruirá, siempre y cuando la
disipación de potencia este dentro del nivel seguro especificado en la hoja de
datos del fabricante
La curva característica será la que se puede ver en la parte superior,
donde:
VRRM: tensión inversa
máxima
VD: tensión de codo.
A menudo es necesario limitar la corriente inversa, en la región de
ruptura, a fin de mantener la disipación de la energía dentro de los valores
permisibles
Cuando un diodo esta en modo de “conducción directa” y su corriente se
reduce a cero, el diodo continúa conduciendo por un corto periodo de tiempo
determinado “tiempo de recuperación inversa”
Los tiristores es un dispositivo semiconductor
formado por 4 o más capas alternadas tipo N y P , que producen un efecto de
enclavamiento, al cual los hace extremadamente útiles en aplicaciones de
computación y de control de potencia. Por lo general cuentan con 3 terminales,
llamados la compuerta, el ánodo y el cátodo.
Según la construcción física y la metodología de activación-desactivación, los tiristores pueden clasificarse en varios tipos:
-TIRISTORES DE CONTROL DE FASE (SCR): es muy utilizado como interruptor de potencia, pudiendo conmutar corrientes desde 1 hasta mas de 2500
A. Posee un tercer terminal llamado
compuerta (gate) ,se referencia con una letra G y actúa como un terminal de
control de disparador.
-TIRISTORES DE CONMUTACION RAPIDA: como su nombre lo indica , estos dispositivos pueden conmutar a
altas velocidades. Están diseñados para soportar cambios bruscos en el voltaje
alrededor de 1000V/us y 1000A/us. La
desactivación rápida es muy importante para reducir el tamaño de los demás
componentes del circuito de conmutación.
ACTIVACIÓN DE UN TIRISTOR
Temperatura
Variación rápida
Luz Voltaje Corriente de
del voltaje compuerta
La temperatura aumenta
la corriente de derivada.
Cuando se alcanza la suficiente
corriente el tiristor pasara a
estado de conducción.
|
Si el voltaje ánodo -
cátodo cambia de manera brusca, se origina un proceso de disparo
|
Si se logra hacer llegar la luz hasta las uniones de un tiristor,
se puede activar este. Los dispositivos de este tipo se denominan LACS
(light) actívate silicon
|
Al aumentar el voltaje ánodo -cátodo hasta llegar a Vd.
|
Si un tiristor esta polarizado directamente, la inyección de una
corriente de compuerta, debido a un a voltaje positivo de compuerta, entre
ella y los terminales del cátodo provocara su activación
|
Tipos de tiristores
Tiristores de
control de fase (SCR)
|
Es utilizado
como interruptor de potencia, posee un tercer terminal llamado compuerta
(gate) que actúa como un terminal disparador del mismo.
|
|
Tiristores de conmutación
rápida
|
Este dispositivo
puede conmutar a altas velocidades, soporta cambios bruscos en el voltaje.
|
El proceso de desactivación de un tiristor se
denomina conmutación. Requiere componentes adicionales como condensadores e
inductancias que permiten, en un momento dado llevar a 0 la corriente o el
voltaje en el dispositivo.
TRANSISTOR
Dispositivo semiconductor que permite el control y la regulación de una
corriente grande mediante una señal muy pequeña. Existe una gran variedad de
transistores. En principio, se explicarán los bipolares. Los símbolos que
corresponden a este tipo de transistor son los siguientes:
POLARIZACIÓN DE UN TRANSISTOR |
Una polarización correcta permite el funcionamiento de este componente.
No es lo mismo polarizar un transistor NPN que PNP.
Polarización de un transistor NPN
|
Polarización de un transistor PNP
|
Generalmente podemos decir que la unión base - emisor se polariza
directamente y la unión base - colector inversamente.
Estudio de las corrientes
El análisis del transistor se realizará para una estructura NPN, y es
análogo para el PNP.
Un transistor sin polarizar se comporta como dos diodos en
contraposición, y no existen corrientes notables circulantes por él. Si se
polariza, aparecen tres corrientes distintas, la corriente de base, IB,
corriente de emisor, IE, y por último la corriente de colector, IC. En la
figura siguiente están dibujadas estas corrientes según convenio, positivas
hacia adentro:
Corriente
en un transistor.
De estas tres corrientes, la del emisor es
la más grande, puesto que éste se comporta como fuente de electrones. La
corriente de base es muy pequeña, no suele llegar al 1% de la corriente de
colector.
Configuraciones
Dependiendo de cuál sea el terminal común a
la entrada y a la salida del transistor, se distinguen tres tipos de
configuraciones:
Configuración en base común. La base constituye el terminal común a la entrada y a la salida,
se encuentra unida a masa. La ganancia en corriente de este circuito es la
unidad, pero sin embargo la ganancia en tensión puede ser muy alta y, por lo
tanto, también la ganancia en potencia. Esta configuración presenta muy poca
realimentación entre la entrada y la salida, por lo que se emplea especialmente
en circuitos de frecuencias altas o muy altas.
Configuración en emisor común. El emisor está unido a tierra. La ganancia en corriente es alta
(la Beta del transistor), la ganancia en tensión y en potencia (dependiente de
la carga de colector) es igualmente alta. Es la configuración más utilizada.
Configuración en colector común. En este caso, el terminal que está conectado a masa es el
colector. La entrada se aplica a la base, como en las configuraciones
anteriores y la carga entre el emisor y masa. Esta configuración tiene una
ganancia en corriente de la beta del transistor, la ganancia en tensión es muy
parecida, pero inferior a la unidad, y la ganancia en potencia es
aproximadamente la beta del transistor. Esta configuración se llama también seguidor
de emisor; se emplea para aislar o adaptar
impedancias, ya que el circuito de base ofrece a la señal una impedancia beta
veces inferior a la que se encuentra en el emisor. Se conoce como seguidor de
emisor porque la tensión en el emisor "sigue" a la de base.
Estado
de un transisto
Para tener
una idea aproximada del estado de un transistor procederemos de la siguiente
manera con el tester(multímetro, óhmetro):Comprobación de un PNP,colocamos la
punta negra del multímetro en la base y tocamos alternativamente los
extremos(colector y emisor), deberá indicar alta resistencia, invertimos las puntas(punta
roja en base) y procesemos como se indicó anteriormente, debe de marcar baja resistencia(1 a 20 ohmios). Para los NPN
seguimos el mismo procedimiento, en este caso las lecturas serán inversas.
Tipos de
Transistores
Existen distintos tipos de transistores, de los cuales la clasificación
más aceptada consiste en dividirlos en transistores bipolares o BJT (Bipolar
Junction Transistor) y transistores de efecto de campo o FET (Field Effect
Transistor). La familia de los transistores de efecto de campo es a su vez
bastante amplia, englobando los JFET, MOSFET, MISFET, etc...
La diferencia básica entre ambos tipos de
transistor radica en la forma en que se controla el flujo de corriente. En los
transistores bipolares, que poseen una baja impedancia de entrada, el control
se ejerce inyectando una baja corriente(corriente de base), mientras que en el
caso de los transistores de efecto de campo, que poseen una alta impedancia, es
mediante voltaje (tensión de compuerta).
Transistores
Bipolares
Los transistores bipolares surgen de la unión de tres cristales de
semiconductor con dopajes diferentes e intercambiados. Se puede tener por tanto
transistores PNP o NPN. Tecnológicamente se desarrollaron antes que los de
efecto de campo o FET.
Transistores
de efecto de campo
Los transistores de efecto de campo o FET más conocidos son los JFET
(Junction Field Effect Transistor), MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor FET) y
MISFET (Metal-Insulator-Semiconductor FET).
Tienen tres terminales denominadas puerta (o
gate) a la equivalente a la base del BJT, y que regula el paso de corriente por
las otras dos terminales, llamadas drenaje (drain) y fuente (source).
Presentan diferencias de comportamiento
respecto a los BJT. Una diferencia significativa es que, en los MOSFET, la puerta
no absorbe intensidad en absoluto, frente a los BJT, donde la intensidad que
atraviesa la base es pequeña en comparación con la que circula por las otras
terminales, pero no siempre puede ser despreciada.
Así como los transistores bipolares se dividen
en NPN y PNP, los de efecto de campo o FET poseen también dos tipos. Aquellos
en los cuales la aplicación del voltaje de gate o puerta produce un aumento de
la resistencia al paso de la corriente, y aquellos en que dicha tensión la
disminuye.
POLARIDAD DE LOS TRANSISTORES
NPN Es uno de los dos tipos de transistores bipolares, en los cuales las letras "N" y "P"se refieren a los portadores de carga mayoritarios dentro de las diferentes regiones deltransistor. La mayoría de los transistores bipolares usados hoy en día son NPN, debido a que la movilidad del electrón es mayor que la movilidad de los "huecos" en los semiconductores, permitiendo mayores corrientes y velocidades de operación. Los transistores NPN consisten en una capa de material semiconductor dopado P (la "base") entre dos capas de material dopado N. Una pequeña corriente ingresando a la base en configuración emisor-común es amplificada en la salida del colector. La flecha en el símbolo del transistor NPN está en la terminal de l emisor y apunta en la dirección en la que la corriente convencional circula cuando el dispositivo está en funcionamiento activo.
PNPEl otro tipo de transistor
bipolar de juntura es el PNP con las letras "P" y "N"
refiriéndose a las cargas mayoritarias dentro de las diferentes regiones del
transistor. Pocos transistores usados hoy en día son PNP, debido a que el NPN
brinda mucho mejor desempeño en la mayoríade las circunstancias. Los
transistores PNP consisten en una capa de material semiconductor dopado N entre
dos capas de material dopado P. Los transistores PNP son comúnmente operados
con el colector amasa y el emisor conectado al terminal positivo de la fuente
de alimentación a través de una carga eléctrica externa. Una pequeña corriente
circulando desde la base permite que una corriente mucho mayor circule desde el
emisor hacia el colector. La flecha en el transistor PNP está en el terminal
del emisor y apunta en la dirección en que la corriente convencional circula
cuando el dispositivo está en funcionamiento activo.
PRÁCTICA
Transistores:
polarización y aplicaciones
El objetivo
de esta práctica es observar las características corriente tensión de un
transistor bipolar,comprobar su punto de operación estacionario y mostrar su
aplicación en la realización de circuitos amplificadores.
Un transistor
bipolar (BJT) está formado por tres regiones de semiconductor dopadas
alternativamente, en cada una de las cuales se establece un contacto metálico.
Existen dos tipos:
Tomaremos como referencia para aplicar
las tensiones el terminal del emisor. Cuando las tensiones aplicadas a la base y
al colector son negativas en los transistores p‐n‐p o positivas en los transistores
n‐p‐n, decimos que el transistor está trabajando/polarizado en la zona activa
directa. En estas condiciones de polarización, al estar la unión base‐emisor en
directa y la base‐colector en inversa, se cumple que la corriente de colector,
IC, prácticamente no depende de la tensión aplicada al colector y es
proporcional a la corriente de base, IB:
IC=F× IB siendo F la ganancia en
corriente del transistor.
Mas informacion
http://www.monografias.com/trabajos11/semi/semi.shtml#tra
http://www.asifunciona.com/fisica/ke_semiconductor/ke_semiconductor_1.htm
http://es.wikipedia.org/wiki/Semiconductor
Mas informacion
http://www.monografias.com/trabajos11/semi/semi.shtml#tra
http://www.asifunciona.com/fisica/ke_semiconductor/ke_semiconductor_1.htm
http://es.wikipedia.org/wiki/Semiconductor
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